DE2806843A1 - METHOD AND SYSTEM FOR CONVERTING THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ENERGY - Google Patents
METHOD AND SYSTEM FOR CONVERTING THERMAL ENERGY INTO MECHANICAL ENERGYInfo
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Description
KENNETH A. WILLIAMSKENNETH A. WILLIAMS
Belleair Shores, Florida (V.St.A.)Belleair Shores, Florida (V.St.A.)
Verfahren und System zum Umwandeln von
Wärmeenergie in mechanische EnergieMethod and system for converting
Thermal energy into mechanical energy
Die Erfindung betrifft ein System zumThe invention relates to a system for
Erzeugen mechanischer Energie, insbesondere ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in
me chani s ehe Energie.Generating mechanical energy, in particular a method and a device for converting thermal energy into
me chani see before energy.
Ss ist allgemein bekannt, daß die Weltvorräte an den üblichen Brennstoffen, wie Erdgas, Gl, Kohle und
dergleichen, schnell verbraucht werden. Die fortdauernde Versorgung mit diesen Brennstoffen wird seit einigen
Jahren ernstlich in Frage gestellt. Die genannten Brennstoffe werden für zahlreiche Zwecke verwendet, von denen
aber vielleicht keiner wichtiger ist als die Erzeugung von Wärmeenergie, die in mechanische Energie zum Antrieb von
Land- und ¥asserfahrzeugen und in elektrische Energie
für die Verwendung in Haushalt und Industrie umgewandelt werden kann. Auch sahireiche andere Energiequellen stehen
zur Verfügung oder sind in der Entwicklung begriffen, z. B, die Sonnenenergie, die Kernenergie und dergleichen, und
diese alternativen Energiequellen- werden in dem Maße, in
dem sie verwertet werden, die derzeitigen und die zu erwartenden Schwierigkeiten in der Brennstoffversorgung
mildern. Dabei ist jedoch zu bedenken, daß Kernenergie
teuer ist und ihre Verwertung zu gewaltigen und bisherIt is well known that the world’s supplies of common fuels such as natural gas, Gl, coal and
the like, can be consumed quickly. The continued supply of these fuels has been around for some
Seriously questioned for years. The fuels mentioned are used for numerous purposes, but perhaps none of them is more important than the generation of thermal energy, which is converted into mechanical energy to drive land and water vehicles, and into electrical energy
can be converted for household and industrial use. Sahi-rich other energy sources are also available or are in the process of being developed, e.g. B, solar energy, nuclear energy and the like, and
These alternative energy sources will, to the extent that they are used, meet the current and anticipated difficulties in fuel supply
mitigate. It should be borne in mind, however, that nuclear energy
is expensive and their recovery too enormous and so far
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ungelösten Umweltproblemen führt',, Die Umwandlung von Sonnenenergie in mechanische Energie befindet sich noch im Sntwicklungsstadium und kann mindestens derzeit nicht in allen Klimabereichen praktiziert werden, besonders in Gegenden mit häufigem Auftreten von Bewölkung9 Nebel oder Smog» Somit steht derzeit keine xfirklich' brauchbare Energiequelle zur Verfügung9 die anstelle der üblichen Brennstoffe zur Befriedigung des ständig steigenden Bedarfs der modernen Gesellschaft an mechanischer Energie verwendet werden kann.unsolved environmental problems leads to "The conversion of solar energy into mechanical energy is still in the development stage and cannot be practiced at least at the moment in all climatic areas, especially in areas with frequent occurrences of cloudiness 9 fog or smog" Thus there is currently no really usable energy source available 9 which can be used in place of conventional fuels to meet the ever increasing demands of modern society for mechanical energy.
Es sind schon zahlreiche Systeme vorgeschlagen worden, in denen von üblichen Energiequellen gelieferte Energie mit höherem Wirkungsgrad verwertet wird, indem die thermodynamisehen und Strömungsverluste auf ein Minimum reduziert werden. Aber auch die Systeme sind bedauerlicherweise nicht imstande, den Wirkungsgrad der Energieumwandlung beträchtlich su verbessern, und sie ermöglichen im allgemeinen nicht einmal die maximale Ausnutzung der Möglichkeiten der inergieumwandlung. Beispielsweise ist in der US-PS 3 35S '!-51 ein System zur Umwandlung der Snerpie eines Flüssigkeitsstroms in mechanische ICiieiTcie annc^eben, wobei' durch Erhitzen' eines flüssigen Arbeitsmittels ein iiwoiphaaenstrom erzeugt wird, der beschleunigt und in die flüssige und die Dampfphase getrennt wird, worauf die kinetische Energie der flüssigen Phase in mechanische Arbeit umgewandelt, die Dampfphase zu Flüssigkeit kondensiert wird und die Flüssigkeitsströme vereinigt und dann wieder erhitzt werden. In diesem System wird jedoch die in dem Arbeitsmittel enthaltene Energie nicht so weit wie möglich in mechanische Arbeit umgewandelt, und es wird wertvolle Wärmeenergie nicht verwertet, sondern in einem Kondensator an ein Wärmeaustauschmittel abgegeben.Numerous systems have been proposed in which those supplied by conventional energy sources have been proposed Energy with higher efficiency is recovered by the thermodynamisehen and flow losses on one To be reduced to a minimum. Unfortunately, even the systems are unable to increase the efficiency of the Energy conversion will improve considerably su, and they generally do not even allow the maximum utilization the possibilities of energy conversion. For example is a system for conversion in US Pat. No. 3,335S '! -51 the energy of a liquid stream in mechanical ICiieiTcie annc ^ even, whereby 'by heating' a liquid Working means a iiwoiphaenstrom is generated, which accelerated and separated into the liquid and the vapor phase, whereupon the kinetic energy of the liquid phase converted into mechanical work, the vapor phase is condensed into liquid and the liquid flows combined and then reheated. In this system, however, the energy contained in the working fluid not converted into mechanical work as much as possible, and valuable thermal energy is not used, but given in a condenser to a heat exchange medium.
3 —3 -
./Hi../Hi.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daherThe object of the invention is therefore
in der Schaffung eines zum Erzeugen mechanischer Energie geeigneten Systems, in dem der Energiegehalt eines Arbeitsmittels in höherem Maße zur Arbeitsleistung verwertet wird als dies bisher möglich war.in the creation of a system suitable for generating mechanical energy, in which the energy content of a work medium is used to a greater extent for work performance than was previously possible.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestehtAnother object of the invention is
in der Schaffung eines Verfahrens zum Erzeugen mechanischer Energie ohne Verbrauch oder Verwertung von üblichen Brennstoffen. in the creation of a process for generating mechanical energy without consuming or utilizing conventional fuels.
Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines umweltfreundlichen Verfahrens zum Erzeugen mechanischer Energie.It is also an object of the invention to provide an environmentally friendly method for Generating mechanical energy.
3ine Aufgabe der Erfindung besteht außerdem in der Schaffung eines Verfahrens, das zum Erzeugen von mechanischer Energie aus i«ar me energie geeignet ist, die mindestens teilweise aus Umgebungsenergie gewonnen wird, die beispielsweise in der Atmosphäre, in Flüssen oder Heeren oder als Abwärme usw. vorhanden ist.Another object of the invention is to provide a method that can be used to generate mechanical energy from i «poor energy is suited to the is at least partially obtained from ambient energy, for example in the atmosphere, in rivers or Army or as waste heat etc. is available.
Sine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens bzw. Systems, das besonders zum Kühlen und Klimatisieren anwendbar ist und bei diesen Anwendungen den Energiebedarf stark herabsetzt.Another object of the invention is to provide a method or system that is particularly applicable for cooling and air conditioning and greatly reduces the energy requirement in these applications.
Die Erfindung schafft ein kontinuierliches Verfahren und ein Kreisprozeßsystem sum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Snergie, mit einem Verdampfer, der ein Energieumwandlungsrohr mit mindestens einer Düsenstrecke aufweist und dazu dient, einen Strom eines flüssigen Arbeitsmittels in einen Strom umzuwandeln, dessen Volumen zum größten Teil oder vollständig ausThe invention creates a continuous Process and a cycle system to convert thermal energy into mechanical energy, with an evaporator, which has an energy conversion tube with at least one nozzle section and is used to generate a stream of a to convert liquid working medium into a stream, the volume of which is largely or completely
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aus Dampf bestellt, wobei ferner eine mit dem Strom beaufschlagte Turbine vorgesehen ist, die einen Teil der Dampfstromenergie in mechanische Wellenantriebsenergie umwandelt, eine Einrichtung zum Erhöhen des Gehalts des von der Turbine abströmenden Arbeitsmittels an Wärmeenergie und potentieller Energie und zum Kondensieren des Arbeitsmittels zu einem im wesentlichen flüssigen Strom, sowie eine Einrichtung zum Zurückführen des flüssigen Stroms zu dem Verdampfer« Das System kann mit besonderem Vorteil auf übliche Kühl- oder Wärmepumpen-Kreisprozesse angewendet werden, in denen das übliche Drosselventil durch eine drosselungsfreie Düse und durch eine Turbine zur Aufnahme und Verwertung der Expansionsarbeit ersetzt wird. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Energieumwandlungsrohre können auch zum Führen von Zweiphasenströmen mit großen Durchflußmengen verwendet werden, za B0 bei Sicherheitsventilen von Drtickgef äßeno ordered from steam, wherein a current-charged turbine is also provided, which converts part of the steam flow energy into mechanical shaft drive energy, a device for increasing the content of the working fluid flowing out of the turbine of thermal energy and potential energy and for condensing the working fluid to an im essential liquid stream, as well as a device for returning the liquid stream to the evaporator «The system can be used with particular advantage on conventional cooling or heat pump cycle processes in which the usual throttle valve through a throttling-free nozzle and a turbine for intake and recovery the expansion work is replaced. The inventively proposed energy conversion tubes can also be used to drive two-phase flows with large flow rates, for a B 0 for safety valves of Drtickgef ate o
Weitere Aufgaben, Merkmale und VorteileOther tasks, features and benefits
des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend an Hand der beigefügten Zeichnungen erläuterte In diesen zeigtof the subject matter of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und Systems gemäß der Erfindung bei Verwendung eines einzigen Arbeitsmittelstroms <,Fig. 1 schematically shows an embodiment of the method and system according to the invention Use of a single flow of working medium <,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Systems verwendbaren Energieumwandlungsrohrs, Fig. 2 shows an embodiment of one in the invention System of usable energy conversion pipe,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen System verwendbaren Energieumwandlungsrohrs,Fig. 3 shows a preferred embodiment of a in the energy conversion tube usable in the system according to the invention,
Fig. h schematisch die wesentlichen Elemente einerFig. H schematically shows the essential elements of a
üblichen mechanischen Kaltdampf-Kältemaschine,common mechanical cold steam refrigeration machine,
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46·46 ·
Fig. 5 in. einem Temperatur-Eritropie-Diagramm dasFig. 5 in. A temperature-eritropy diagram that
thermodynamische Verhalten der Kältemaschine gemäß Fig. k, thermodynamic behavior of the refrigeration machine according to Fig. k,
Fig. 6 schematisch die durch Hinzufügen einer Düse und einer Turbine gemäß der Erfindung abgeänderte KäJLtemaschine g-emüß Fig. 4 undFig. 6 shows schematically that modified by adding a nozzle and a turbine according to the invention Refrigeration machine g-emüß Fig. 4 and
Fig. 7 i» einem Temperatur-Entropie-Diagramm dasFig. 7 is a temperature-entropy diagram
tihermodynamische Verhalten der Kältemaschine «remäß Fig. 6.thermodynamic behavior of the refrigeration machine According to Fig. 6.
Fig. 1 zeigt ein kontinuierlich arbeitendes Ijreisprozeßsystesi «um Umwandeln des Energiepotentials •ines entsprechend gewählten, unter Druck stehenden Arbeitsmittels in mechanische Vellenantriebsenergie, wobei in dem System verbrauchte Energie, einschließlich von We11enantriebsenergie, durch Wärmeenergie ersetzt wird, die einer zur Verfügung stehenden Wärmeenergiequelle entnommen wird, die beispielsweise von Radioisotopen, Kernreaktoren, Feuerungen (insbesondere Feuerungen zum Verbrennen von anderen als den üblichen Brennstoffen, z. B. Müllverbrennungsofen), oder Solarkonvertern gebildet sein kann oder von Umgebungsenergieträgern, sofern genügend Umgebungsenergie vorhanden ist (z. B. in der Atmosphäre, Flüssen, Meeren, als Abwärme usw.). Das dargestellte System arbeitet nur mit einem Arbeitsmittelstrom. Man kann zahlreiche Arbeitsmittel verwenden. Allgemein ist jede Flüssigkeit für die Verwendung geeignet, die in einem Kreisprozeß unter Arbeitsleistung expandieren kann. Dabei sind die Kochst- und die Mindestwerte für den Temperatur und den Druck in dem gewählten Kreisprozeß und die in diesem durchzuführende Verdampfung und Kondensation zu berücksichtigen. In einem System, das bei der normalen Umgebungstemperatur oder einer nur wenig höheren oder niedrigeren Temperatur arbeitet, verwendet man amFig. 1 shows a continuously working Ijreisprozesssystesi «to convert the energy potential of the appropriately selected, pressurized working medium into mechanical shaft drive energy, the energy consumed in the system, including line drive energy, is replaced by thermal energy that is taken from an available thermal energy source , which can be formed, for example, by radioisotopes, nuclear reactors, furnaces (in particular furnaces for burning other than usual fuels, e.g. waste incinerator), or solar converters or from ambient energy sources, provided that there is sufficient ambient energy (e.g. in the atmosphere , Rivers, seas, as waste heat, etc.). The system shown only works with one flow of working medium. There are many tools that can be used. In general, any liquid that can work-expand in a cycle is suitable for use. The boiling point and the minimum values for the temperature and pressure in the selected cycle and the evaporation and condensation to be carried out in this must be taken into account. In a system that operates at normal ambient temperature or at a temperature only slightly higher or lower, am is used
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besten niedrigsiedende Arbeitsmittel j, vorzugsweise Arbeitsmittels deren Siedepunkt beträchtlich unter dem Gefrier= punkt des Wassers liegto Beispiele derartiger Arbeitsmittel sind Kohlendioxid, Flüssigstickstoff und die Fluorkohlenstoffeo Brauchbare Fluorkohlenstoffe sind beispielsxireise Difluormonoclilormethan, Pentafluormonochloräthan9 Difluordichlormethan und deren azeotrope und sonstige Gemische β In bei höheren Temperaturen und höheren Drücken arbeitenden Systemen kann man als Arbeitsmittel Wasser oder andere bekannte Kühlmittel verwenden, zu denen auch Flüssigmetalle, wie Natrium, Kalium, Quecksilber und dergleichen, gehöreno The best low-boiling working media, preferably working media whose boiling point is considerably below the freezing point of water o Examples of such working media are carbon dioxide, liquid nitrogen and the fluorocarbons o Usable fluorocarbons are, for example, difluoromonoclilomethane, pentafluoromonochloroethane 9 difluorodichloromethane and other azeotropic temperatures and systems operating at higher pressures can be used as the working medium water or other known coolants, which also include liquid metals, such as sodium, potassium, mercury and the like, or the like
Erfindungsgemäß wird der Strom des Arbeitsmittels einer Einrichtung zugeführt, in dem die nichtkinetische Energie eines Stroms, d0 ho seine statische Druckcnergie, seine Wärmeenergie und/oder seine potentielle Energie, in kinetische oder G-eschwindigkeitsenergie umgewandelt wird. Diese Einrichtung wird nachstehend als Snergioumwandlungsrohr (EUR) bezeichneto In diesem EUR wird die Geschwindigkeit dos Stroms erhöht und werden fileic!.i2;e:ltif; der statische Druck und die Temperatur des Stroms beträchtlich herabgesetzt„ Bei sinkendem Druck wird ein Teil der in der Flüssigkeit enthaltenen Wärmeenergie freigesetzt und verdampft ein Teil der Flüssigkeit» Der dadurch erhaltene Strom hat ein größeres Dampf volumen«,According to the invention the flow of the working medium is supplied to a device in which the non-kinetic energy of a stream d 0 h o its static Druckcnergie, its thermal energy and / or its potential energy is converted into kinetic or G-eschwindigkeitsenergie. This device is hereinafter referred to as the Snergioumwandlungsrohr (EUR) o In this EUR the speed of the current is increased and fileic! .I2; e: ltif; the static pressure and the temperature of the flow are considerably reduced "When the pressure drops, part of the thermal energy contained in the liquid is released and part of the liquid evaporates." The flow thus obtained has a larger vapor volume ",
In einer bevorzugten Ausfülirungsform derIn a preferred embodiment of the
Erfindung besitzt das Energieumwandlungsrohr mindestens eine Düsenstrecke,, Je nach der Beschaffenheit des Systems, in dem das EUR verwendet wird, kann dieses zweckmäßig mehrere im Längsabstand voneinander angeordnete Düsenstrecken (siehe Fig. 2 und 3) besitzen, die durch mehrereInvention, the energy conversion pipe has at least one nozzle section ,, Depending on the nature of the system, in which the EUR is used, it can expediently have several nozzle sections arranged at a longitudinal distance from one another (see Figs. 2 and 3) have, by several
Rückgewinnungsstrecken miteinander verbunden sind. Das EUR kann beispielsweise eine einzige Düsenstrecke besitzen oder eine Düsenstrecke und eine Rückgewinnungsstrecke oder mehrere Düsenstrecken zwischen diesen angeordneten Rückgewinnungsstrecken. In einem aus mehreren Strecken bestehenden EUR tritt das Arbeitsmittel, das einen großen Gehalt an potentieller oder statischer Energie besitzt (unter einem hohen statischen Druck steht) und im wesentlichen gesättigt ist (dies wird nachstehend definiert) in die erste Düsenstrecke ein, in der das Arbeitsmittel in einen Strom oder Strahl umgewandelt wird, der eine hohe Geschwindigkeit und einen niedrigeren Druck hat und in dem Rohr axial strömt. Bei der Strömung des Arbeitsmittels durch die Düsenstrecke werden infolge des sich verengenden Strömungsquerschnitts die Geschwindigkeit und die kinetische Energie des Arbeitsmittels vergrößert. ¥ährend der Beschleunigung des Arbeitsmittels und des Sinkens seines statischen Druckes beginnt die gesättigte Flüssigkeit 211 vordanpfen, -wodurch, ein Toil ilu-ex· Y/ärnioenergie verbraucht wird. Infolgedessen hat der aus der Düsenstrecke austretende Strom ein größeres Volumen, einen höheren Gehalt an kinetischer Energie, einen niedrigeren statischen Druck, oine niedrigere Temperatur und einen höheren Dampfgehalt» Dabei wird eine flüssigkeit als "im wesentlichen gesättigt" bezeichnet, wenn sie entweder vollständig oder so weit gesättigt ist, daß sie unter den in der ersten Düsenstrecke vorhandenen Strömungsbedingunejen wenigstens teilweise verdampft. Besonders bevorzugt werden Bedingungen, unter denen die Flüssigkeit beim Eintritt in die erste Düsenstrecke und vorzugsweise auch beim Eintritt in jede folgende Düsenstrecke des SUR gesättigt ist.Recovery lines are interconnected. For example, the EUR can have a single nozzle section or a nozzle section and a recovery section or several nozzle sections arranged between these recovery sections. In one of several Stretch existing EUR occurs the work equipment that has a large content of potential or static Possesses energy (is under high static pressure) and is essentially saturated (this will be discussed below defined) into the first nozzle section, in which the working medium is converted into a stream or jet, which has a high speed and a lower pressure and flows axially in the pipe. With the current of the Working fluid through the nozzle section increases the speed due to the narrowing flow cross-section and increases the kinetic energy of the working fluid. ¥ ¥ while the work equipment is accelerating and the drop in its static pressure begins to tap the saturated liquid 211, -by which, a toilet ilu-ex · Y / nioenergy is consumed. As a result, the The stream emerging from the nozzle section has a larger volume, a higher content of kinetic energy, a lower static pressure, lower temperature and a higher vapor content »This creates a liquid is referred to as "substantially saturated" when it is either completely saturated or saturated enough to be under the flow conditions existing in the first nozzle section at least partially evaporated. Particularly preferred are conditions under which the liquid when entering the first nozzle section and preferably also when entering each subsequent nozzle section of the SUR is saturated.
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Das aus der Düsenstrecke aüstretendet schnell strömende Arbeitsmittel,, das aus einer relativ schnell strömendenß flüssigen Phase und einer beträchtlich schneller strömenden Dampfphase besteht„ gelangt in eine Pump- und Rückgewinnung s tr ecke p in der durch Umwandlung des Impulses der Dampfphase dio Geschwindigkeit b die Temperatur und der statische Druck der flüscigen Phaso erhöht tferdeno Zu ?tiGs©in Zweck trird oin ffeil der kinetischen und der Wärmeenergie der Dampfphase an die flüssige Phase abgegebene die dadurch für den nächsten Expansionsvorgang in der nächsten Strecke regeniert t?irdo Es wird onge= aommen9 daß in der Pump- und Rückgei-rLnnu&gostrecke dor relativ schnell strömende Dampf auf die relativ langsam strömende Flüssigkeit auftrifft und entsprechend der Impulserhaltung ein Impulsaustausch zwischen Flüssiglceit und Dampf stattfindet, wobei die Geschwindigkeit der Dampfphase vermindert wirdo Diese Herabsetzung der Geschwindigkeit wird von einem Anstieg des statischen Druckes (Verdichtung) begleitet, ohne daß dazu ein Aufwand von Fremdarbeit erforderlich isto Infolgedessen kondensiert mindestens ein Teil des Dampfes und wird die latente Kondensationswärme dieses kondensierten Teils an die flüssige Phase abgegebene Die resultierende Wirkung auf das strömende Arbeitsmittel besteht darin, daß die Gesciawindigkeit und die kinetische Energie der Flüssigkeit weiter zunehmen, daß ein Teil des Dampfes kondensiert, daß ein Teil des in der Düsenstrecke in kinetische Energie umgewandelten statischen Druckes zurückgewonnen und daß die Temperatur des Arbeitsmittels auf einen ¥ert erhöht wird, der höher ist als am Austritt der Düsenstrecke, aber niedriger als am Eintritt der Düsenstrecke. Infolgedessen kann die unter einem höheren statischen Druck und auf einer höheren Temperatur befindliche Flüssigkeit in der nächsten Düsenstrecke erneut einer Beschleunigung undThe aüstretende from the nozzle distance t fast flowing working medium ,, the liquid from a relatively fast-flowing ß phase, and a significantly faster flowing vapor phase is "enters a pumping and recovering s tr corner p in by converting the pulse of the vapor phase dio speed b the temperature and the static pressure of flüscigen Phaso increased tferden o to? TIGS © in purpose trird oin ffeil the kinetic and thermal energy of the vapor phase to the liquid phase discharged e thereby regenerated for the next expansion process in the next distance t? IRDO It is onge = aommen 9 that, in the pumping and Rückgei-rLnnu & dor gostrecke relatively rapidly flowing steam to the relatively slowly flowing liquid impinges, and in accordance with the momentum conservation takes place a momentum exchange between Flüssiglceit and steam, the velocity of the vapor phase is reduced o This reduction in velocity is of an increase in the static hen pressure (compression), without the need for external work o As a result, at least part of the vapor condenses and the latent heat of condensation of this condensed part is given off to the liquid phase and the kinetic energy of the liquid continue to increase, that part of the vapor condenses, that part of the static pressure converted into kinetic energy in the nozzle section is recovered and that the temperature of the working medium is increased to a level which is higher than at the outlet Nozzle section, but lower than at the nozzle section inlet. As a result, the liquid, which is under a higher static pressure and at a higher temperature, can again accelerate and accelerate in the next nozzle section
IÖ9829/0SI3IÖ9829 / 0SI3
1806849 •SO- 1806849 • SO-
.r:no.n.s5.on unt9rT,;orfon TOr1CCn. Iis '-/ird oai^eiioKimon ^ da.il
dor -'ort schrei toric:c Temperatur aus ti o··; der l?Iüssi{Tl-:oii;
in der l'ii:v-p— und ^ück^ov^nnurvys strecke carauf zurückzuführen
ist, daß die Flüssigkeit "!/ülireiid des ?uEpvor;;anges
st ein el i ."y mit can etauaruci; con Ltauipfss boauf'sc'ila;t t/irci,
Diöse; wiederholten Yerdar.ipfunrrs- und Zondensationsvor^än^e
in de«! -inor^ieuirroandlun^srolir nabon sur Γοΐ-το, clai:· die
Vordarnpi'ungsarbcit nickt; mehr oder veni^er eiiiksitlick
in alle liiclitun^en wirkt, sondern sti^omabwärts zu den
unter niedrifrerein Druck stohenöGii fdauni hin gelexud T-,rird.
Dadurcli vird die strömende Fiiissirfceit einer Fumpvxrlsuni^
unterworfen, so daß die aus dorn Ro2ir austretende Flüssxs—
koit eine hohe Geschwirsdigrkeit tind damit einen großen
i-TeJialt an kinetischer Jner™ie besitzt» Zs -yird anvoiionnnen,
daß die Geschwindigkeit und der kinetische ?inerf;iei'jehalt
der aus dem ilolir austretenden Flüssigkeit nöiier
bsvt größer ist, wenn das Kolrr nicht nur eine, sondern
mehrere Düsenstreciccii besitzt. Bei dor Verwendun-τ von
nie-irereii Düsenstrecksn kann inan forner nacii der ersten
Düsenstrecke einen Teil des Gelialts des Dampfes an latenter
und kinetischer Energie auf die Flüssigkeit zurückübertragen,
in der die auf diese Weise übertragene Wärmeenergie
wiederverwendet und in !zusätzliche kinetische Energie umgewandelt werden kann. Bei Verwendung nur einer einzigen
Düsenstrecke kann der latente Wärmeenergiegehalt des
Dampfes jedoch nur in geringerem Maße wiederverwendet werden, so daß mehr Wärmeenergie z. 3. in einem Kondensator
an das Tvärr.ieaustauschmittel abgegeben werden muß, anstatt
zur zusätzlichen Arbeitsleistung verwertet zu werden. Diese Rückgewinnung und Wiederverwendung der latenten
Wärme wird als ein wichtiger Beitrag zu dem höheren
Wirkungsgrad angesehen, der mit dem erfindungsgemäßen System erzielt werden kann..r: no.n.s5.on unt9r T ,; orfon TOr 1 CCn. Iis' - / ird oai ^ eiioKimon ^ da.il dor -'ort scream toric : c temperature from ti o ··; the l? Iüssi {Tl-: oii; in the l'ii: vp— and ^ ück ^ ov ^ nnurvys stretch car to the fact that the liquid "! / ülireiid des? uEpvor ;; an st an el i." y with can etauaruci; con Ltauipfss boauf'sc'ila; tt / irci, Diöse; repeated Yerdar.ipfunrrs- and zondensationsvor ^ än ^ e in de «! -inor ^ ieuirroandlun ^ srolir nabon sur Γοΐ-το, clai: · the pre-warning work nods; more or more eiiiksitlick in all liiclitun ^ en acts, but downstairs to the stohenöGii fdauni towards the lower pressure stohenöGii fdauni gelexud T-, r ird. As a result, the flowing fluid is subjected to a flow rate, so that the fluid emerging from the thorn tube has a high degree of fluidity and thus possesses a large number of kinetic energy, so that the velocity and the kinetic fluid can flow ; iei'jehalt greater ilolir from the exiting liquid nöiier BSV t when the Kolrr has not only one but several Düsenstreciccii. When using never-irerei nozzle stretches, inan forner nacii the first nozzle stretch can transfer part of the steam's latent and kinetic energy back to the liquid, in which the heat energy transferred in this way
can be reused and converted into additional kinetic energy. If only a single nozzle section is used, the latent thermal energy content of the
However, steam can only be reused to a lesser extent, so that more thermal energy z. 3. Must be delivered to the air exchange medium in a condenser instead of being used for additional work. This recovery and reuse of latent heat is considered to be an important contribution to the higher
Considered efficiency that can be achieved with the system according to the invention.
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EADEAD
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!''if,·*, 2 seist ein mehrere Düsenstrecken besitzendes iOnergieumwandlungsroiir für Strömurigsgeschwiiidigkeiten im Unterschallbereicho Sin entsprechendes liohr :nit für Strömungsgeschwindigkeiten im Überschallbereich ausgebildeten Diisenstrechen lcann der Fachmann ohne weiteres schaffen. Das liohr 100 enthält mehrere in Abständen voneinander angeordnete düsenstrecken 102s 104, 1O69 108, die miteinander durch mehrere allgemein zylindrische rdückgewinnungsstrecken 110, 112, 1 1M- verbunden sindo In der in Fijj-O 3 gezeigten Ausführungsform besitzt das Snergieurnwandlungsrohr 200 mehrere sich in der Längsrichtung erweiternde Diffusorstrecken. 210, 212, 214 „ Im allgemeinen verwendet man als Sück^ewinnun^sstrecken vorzugsweise Diffusorstrecken, weil diese eine Regelung bewirken, die dazu beiträgt, daß verhindert wird, daß die statische Druckfront in dem Rohr an irgendeiner Stelle so niedrig wird, daß ein ?lüssigkeitströpfchen nicht stromabwärts, sondern radial expandierto ! '' if, *, 2 is an energy conversion channel with several nozzle sections for flow velocities in the subsonic range. The liohr 100 includes a plurality of spaced from each other arranged nozzles stretch 102 s 104, 1o6 9108, the rdückgewinnungsstrecken each other by a plurality of generally cylindrical 110, 112, 1 1M are connected o In the embodiment shown in Fijj- O 3 embodiment, the Snergieurnwandlungsrohr 200 has a plurality of Diffuser sections widening in the longitudinal direction. 210, 212, 214 “In general, diffuser sections are preferably used as suction sections, because these effect a control that helps prevent the static pressure front in the pipe from becoming so low at any point that a? liquid droplets not expanding downstream, but expanding radially o
Sin weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in dem linergieumwandlungsrohr auch Mittel sum Unterdrüclcen von metastabilen Strörnungsbedingungen in dem Iiohr besitzt„ Man kann zu diesem Zweck jede geeignete Einrichtung zum Unterdrücken von metastabilen Strörnungsbedingungen verwenden«, Beispielsweise kann man dem Strom des Arbeitsmittels einen zweiten Strom, ζ„ Bn einen Quocksilberstrom, hinzusetzen,, Man kann auch mechanische Kittel verwenden, κ. 3. stronungsu'-nlonizende Elemente, wie Schaufeln, die in dorn Strom des Arbeitsmittels angeordnet sind«, Zum Unterdrücken von metastabilen Strömungsbedingungen kann man auch nichtmechanisch^ Mittel, wie Schall oder Funkwellen anwendeno lös wurde bereits gesagt, daß"es notwendig ist, die Verdampfung des Arbeitsmittels in einem SUR mit einer einzigen Düsenstrecke oder die aufeinanderfolgenden Verdampfungs- und Kondensations-Another important feature of the invention is that the linergieumwandlungsrohr also has means to suppress metastable flow conditions in the ear "one can use any suitable means for suppressing metastable flow conditions for this purpose" Electricity, ζ "B n add a quock-silver current," Mechanical smocks can also be used, κ. 3. stronungsu'-nlonizende elements, such as blades, arranged in spike-flow of the working medium, "to suppress metastable flow conditions one can not mechanically ^ means, such as sound or radio waves apply o lös has been said that" it is necessary the evaporation of the working medium in a SUR with a single nozzle section or the successive evaporation and condensation
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vorgänge in einem SCR mit mehreren Jüson- bzv7. iiückge-•v/innungs strecken unter g-eregelten Bedingungen durchaufuhr en, so clai3 die Verdampfung des einem niedri geilen Druck ausgesetzten Arbeitsmittels innerhalb des .itili erfolgt, in dem die freigesetzte Wärmeenergie von der Flüssigkeit aufgenommen und in kinetische Energie umgewandelt werden kann. ¥enn die Verdampfung außerhalb des EUR erfolgt, wie dies der Fall sein könnte, wenn die tatsächliche Verdampfung erst nach dom Sinken des Druckes auf den für die Verdampfung erforderlichen Wert stattfindet, sind metastabile Strömungsbedinguniren vorhanden und wird die freigesetzte Wärmeenergie nicht mit gutem Wirkungsgrad in kinetische Energie des strömenden Arbeitsmittels umgewandelt. Eine ständige Unterdrückung von metastabilen Strömungsbedingungen ist daher selbst in einem EUIl mit nur einer einzigen Düsenstrecke ein sehr wichtiges Iloricnal der .Erfindung. Die gewünschte Pumpwirkung in dom !!ohr und die eriib'hte !btrüriungsgeschwindigkeit der flüssigkeit erhält man mit bestem Wirkungsgrad, wenn man im Abstand voneinander angeordnete Düsenstrecken verwendet, wobei der Druck in Hals jeder Düse niedriger ist als der Druck, im Hals jeder stromaufwärts davon angeordneten Düse, und für die Unterdrückung von metastabilen Strömungsbedingungen gesorgt wird, Wenn das 3UTl mit Strömungsgeschwindigkeiten im Unterschallbereich betrieben wird, muß der Strönran^squersclmitt jeder Düsenstrecke kleiner sein als der Strömungsquorschnitt jeder stromaufwärts davon an: r:oorfi.noi?n Dilseristrocke. Bei Strömungsgeschwindigkeiten im Überschallbereich ist der Strömungsquerschnitt jeder Düsenstrecke größer als der Strömungsquerschnitt jeder stromaufwärts davon angeordneten Düsenstrecke.processes in an SCR with several Jüson- bzv7. Recovery stretches are carried out under regulated conditions, so that the evaporation of the working medium, which is exposed to a low pressure, takes place within the fluid, in which the released heat energy can be absorbed by the liquid and converted into kinetic energy. If the evaporation takes place outside the EUR, as could be the case if the actual evaporation only takes place after the pressure has dropped to the value required for the evaporation, metastable flow conditions are present and the heat energy released does not convert into kinetic energy with good efficiency Energy of the flowing working medium converted. A constant suppression of metastable flow conditions is therefore a very important element of the invention, even in an EUIl with only a single nozzle section. The desired pumping action in the dome and the required flow rate of the liquid are obtained with the best efficiency if one uses nozzle sections arranged at a distance from one another, the pressure in the throat of each nozzle being lower than the pressure in the throat of each upstream thereof arranged nozzle, and the suppression of metastable flow conditions is taken care of, If the 3UTl is operated with flow velocities in the subsonic range, the flow rang ^ squersclmitt of each nozzle section must be smaller than the flow cross section of each upstream of it at : r : oorfi.noi? n Dilseristrocke. At flow velocities in the supersonic range, the flow cross-section of each nozzle section is greater than the flow cross-section of each nozzle section arranged upstream thereof.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 kann man jedes der vorstehend angegebenen Arbeitsmittel verwenden.In the embodiment according to FIG. 1, any of the working means indicated above can be used.
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Das in FIr0 1 ,"ezeiitG System arbeitet kontinuierlich in einem Kreisnrozeß. In der Beschreibunr wird ange-ηοκποη, daß der Eintritt des ISUR. 50 der Anfangspunkt dos Systems isto Das in das SUIi 50 eintretende Arbeitsmittel ist eine voi"z;u~sweise gesättigte Flüssigkeit, die hinsichtlich ihrer Temperaturen und Drücke einen .Jnthalpiegcnalt entspricht, der mindestens so groß ist wie der in dem System zu erwartende jßnergieverbrauch 9 einschließlich, der abgegebenen Wellonantx^iebsenergieo Das λΐΐϋ.?. 50 ist ein normales Düsenrohr,, beispielsweise eins der vorstehend beschriebenen Siiergiemawandlun^srohre, Bei Durchtritt des Arbeitsmittels durch das 3UIi 50 wird der Gehalt des Arbeitsmittels an potentieller, statischer und ¥ärmoenergie 2um Teil in kinetische Jnex"gio umgewandelt und die Geschwindigkeit des Stroms beträchtlich erhöht, während sein statischer Druck und seine Temperatur beträchtlich verringert werden. Da die kinetische IDnergie eine Funktion sowohl der Hasse als auch der Geschwindigkeit ist, kann man durch Hinzufügen eines sweiten Stroms, z„ B0 eines Quecksilberstroms, zn dem Strom des Arbeitsmittels die strömende Masse vergrößern und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit herabsetzen;, ohne die kinetische Energie des Stroms zu vermindern,. Infolge des Hinzufügens des zweiten Stroms hat der Gesamtstrom eine geringere Strömungsgeschwindigkeit. Dagegen wird die kinetische Energie infolge der Vergrößerung der Masse im wesentlichen konstantgehalteno Der zweite Strom trägt auch sur Unterdrückung von metastabilen Strömungsbedingungen in dem DUR beio In dem EUR 50 verdampft ein Teil der strömenden Flüssigkeit, so daß der zunächst im wesentlichen vollständig aus Flüssigkeit bestehende Strom in einen Strom umgewandelt wird9 dessen Volumen zum größten Teil aus Dampf bestehto The in FIR 0 1, "ezeiitG system continuously operates in a Kreisnrozeß In Beschreibunr ange-ηοκποη is that the entry of the Isur 50 is the starting point dos system o The working medium entering the SUIi 50 is a voi.." Z u ~ sweise saturated liquid with respect to their temperatures and pressures corresponding to a .Jnthalpiegcnalt that is at least as large as that in the system expected jßnergieverbrauch 9 inclusive of the votes Wellonantx ^ iebsenergieo the? λΐΐϋ.. 50 is a normal nozzle pipe, for example one of the above-described Siiergiemawandlun ^ rohre. When the working fluid passes through the 3UIi 50, the potential, static and thermal energy content of the working fluid is partially converted into kinetic jnex "gio and the speed of the flow is considerable increased, while its static pressure and temperature are reduced considerably. Since the kinetic IDnergie is a function of both the Hasse and the speed may be obtained by adding a sweiten stream z "B 0 of a mercury current zn, the flow of the working fluid flowing Increase the mass and thereby reduce the flow velocity; without reducing the kinetic energy of the flow. As a result of the addition of the second flow, the total flow has a lower flow velocity. On the other hand, the kinetic energy is kept essentially constant as a result of the increase in mass o The second flow carries also on the suppression of metastable flow conditions in the DUR ato In the EUR 50 part of the flowing liquid evaporates, so that the flow, which initially consists essentially of liquid, is converted into a flow 9 the volume of which consists mainly of steam, etc.
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Mit dem aus dem EUIt 50 mit relativ holier Geschwindigkeit austretenden Strom wird das Laufrad der Turbine 52 direkt beaufschlagt. In der Turbine wird ein Teil der kinetischen Energie des Arbeitsmittels in mechanische Energie zum Antrieb der Turbinenwelle umgewandelt. Gegebenenfalls kann man stromabwärts von dem EUR 50 und stromaufwärts von der Turbine 52 ein nicht gezeigtes Drosselventil einschalten, mit dem die in der Turbine umgewandelte Menge an kinetischer Energie gesteuert werden kann.With the one from the EUIt 50 with relatively holier The speed of the current exiting is directly applied to the impeller of the turbine 52. In the turbine there will be a Part of the kinetic energy of the working fluid is converted into mechanical energy to drive the turbine shaft. You may not be able to enter downstream of the EUR 50 and upstream of the turbine 52 Switch on the throttle valve shown, with which the amount of kinetic energy converted in the turbine is controlled can be.
Das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel ist verbraucht. Yenn in einem kontinuierlich arbeitenden Kreisprozeßsystem das verbrauchte Arbeitsmittel wiederverwendet werden soll, muß dessen Energiegehalt vergrößert werden. In einer Ausführungsform der Erfindung werden zu diesem Zweck die flüssige und die Dampfphase des aus der Turbine austretenden Arbeitsmittels voneinander getrennt, worauf der Gehalt jeder Phase an statischer Energie vergrößert wird und die beiden Phasen wieder miteinander vereinigt werden. Man kann die Trennung durch Schwerkrafttrennung vornehmen, beispielsweise indem die Leitungen $k und 56 zum Abziehen der flüssigen bzw. der Dampfphase vertikal übereinander angeordnet werden, wobei sich die Flüssigkeitsleitung 5h unter der Dampfleitung 56 befindet. Die Trennung von Dampf und Flüssigkeit wird ferner dadurch unterstützt, daß die Dampfleitung 56 im Durchmesser beträchtlich größer ist als die Flüssigkeitsleitung beispielsweise 10 mal so groß. Mit der von der Turbine 52 an ihre Welle abgegebenen Leistung werden eine Dampfverdichter oder eine Dampfpumpe 58 in der Leitung 60 sowie eine Flüssigkeitspumpe in der Leitung 5A angetrieben, so daß der statische Druck undThe working fluid emerging from the turbine has been used up. If the used working medium is to be reused in a continuously operating cycle system, its energy content must be increased. In one embodiment of the invention, the liquid and vapor phases of the working medium emerging from the turbine are separated from one another for this purpose, whereupon the static energy content of each phase is increased and the two phases are combined again. The separation can be carried out by gravity separation, for example by arranging the lines $ k and 56 for drawing off the liquid or the vapor phase vertically one above the other, the liquid line 5h being located below the vapor line 56. The separation of vapor and liquid is further aided by the fact that the vapor line 56 is considerably larger in diameter than the liquid line, for example 10 times as large. With the power delivered by the turbine 52 to its shaft, a steam compressor or a steam pump 58 in the line 60 and a liquid pump in the line 5A are driven, so that the static pressure and
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und der Energiegehalt der Dampfphase und der flüssigen Phase vergrößert werden. Durch die Verdichtung des Dampfes in der Pumpe 58 wird die Dampftemperatur auf einen Wert erhöht, der beträchtlich über der Temperatur der Flüssigkeit liegt. Stromabwärts von den Pumpen 58 und 60 werden der Flüssigkeits- und der Dampfstrom wiedervereinigt. Die kalte Flüssigkeit nimmt von dem Dampf Wärme auf, beispielsweise indem der Dampf in der üblichen ¥eise einen dünnen Film der Flüssigkeit bestreicht, so daß der Dampf im we sentlichen sofort kondensiert und der Gesamtstrom am Eintritt in die ebenfalls über die Welle der Expansions-Kraftmaschine mit von dieser erzeugter Energie angetriebenen Pumpe 62 im wesentlichen nur aus Flüssigkeit besteht. Die Flüssigkeitspurapο Ö2 bringt den statischen Druck der Flüssigkeit auf einen so hohen Wert, daß die Flüssigkeit auch bei der Zuführung von Wärmeenergie in dem Absorber 6k nicht verdampft. Gleichzeitig vergrößert die Pumpe 62 den Snergiegehalt des Arbeitsmittels.and the energy content of the vapor phase and the liquid phase can be increased. As a result of the compression of the steam in the pump 58, the steam temperature is increased to a value which is considerably higher than the temperature of the liquid. Downstream of pumps 58 and 60, the liquid and vapor streams are recombined. The cold liquid absorbs heat from the steam, for example by the steam spreading a thin film of the liquid in the usual way, so that the steam condenses immediately and the total flow at the inlet is also via the shaft of the expansion engine with pump 62 driven by this generated energy consists essentially only of liquid. The liquid trace Ö2 brings the static pressure of the liquid to such a high value that the liquid does not evaporate even when heat energy is supplied to the absorber 6k. At the same time, the pump 62 increases the energy content of the working medium.
Die Pumpen 58, bO und 62 dienen ferner zum schnellen Abziehen des verbrauchten Arbeitsmittels von der Turbine. Dies ist notwendig, damit an der Turbine kein Gegendruck auftritt, der den Wirkungsgrad der Turbine beeinträchtigen lcönnte. Natürlich braucht man nicht wie in Fig. 2 drei Pumpen zu verwenden, sondern kann man die Pumpe 58-60 durcia eine einzige Kreiselpumpe ersetzen. Allgemein ist jede Pumpenanordnung verwendbar, welche die beiden Grundfunktionen der Pximpen 58, 60 und 62 ausüben, d. h. das verbraticlite Arbeitsmittel von der Turbine abziehen und den statischen Druck und den Energiegehalt des Arbeitsmittels erhöhen kann.The pumps 58, bO and 62 also serve to quickly draw off the used working fluid from the turbine. This is necessary so that there is no counter pressure on the turbine that could impair the efficiency of the turbine. Of course, there is no need to use three pumps as in FIG. 2, but the 58-60 pump can be replaced by a single centrifugal pump. In general, any pump arrangement can be used which can perform the two basic functions of the Pximpen 58, 60 and 62, that is to say can draw the exhausted working fluid from the turbine and increase the static pressure and the energy content of the working fluid.
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Die aus der Pumpe 62 ausgetretene FlüssigkeitThe liquid that has leaked from the pump 62
wird durch, einen.Absorber 6k geführt, in welchem dem Arbeitsmittel Energie zugeführt wird, um den Energieverbrauch auszugleichen, der auf die Umwandlung von Energie in mechanische ¥ellenantriebsenergie in der Turbine 52 und auf die durch Reibungsverluste und andere thermcrdynamische Verluste an anderen Stellen des Systems bedingten Energieverluste zurückzuführen ist. Der Absorber 6k soll eine so große Länge oder eine so große Querschnittsfläche haben, daß er die Aufnahme einer vorherbestimmten Energiemenge ermöglicht. Zu diesem Zweck enthält der Absorber 6k eine nicht gezeigte Steuereinrichtung zur genauen Steuerung der aufgenommenen Energiemenge. Beim Durchtritt durch den Absorber 6k nimmt das Arbeitsmittel so viel Värmeenergie auf, daß es den gewünschten Energiegehalt hat. Die Temperatur des aus der Pumpe 62 austretenden Arbeitsmittols soll beträchtlich niedriger sein als die Temperatur der Wärmequelle, damit das Arbeitsmittel durch Aufnahme von Wärmeenergie von der Wärmequelle auf den gewünschten SnergiCfTehalt gebracht werden kann. Die dem Arbeitsmittel zugeführte Wärmeenergie muß zum Ersatz des Energieverbrauchs genügen, der auf die Umwandlung von Energie in der Turbine 52 in mechanische Wellenantriebsenergie, die niclit in den Pumpen 58, 60 und 62 in das Arbeitsmittel zurückgeführt wird, und auf Energieverluste zurückzuführen ist, die durch Reibungsverluste und andere thermodynamische Verluste an anderen Stellen des Systems bedingt sind. Unabhängig von der Art der verwendeten Wärmequelle muß diese Wärmeenergie an das System abgeben. Daher kann man die Wahl eines geeigneten Arbeitsmittels und der Druck- und Temperaturwerte für ein bestimmtes System erst vornehmen, nachdem die Wärmequelle gewählt worden ist und die Wärniebedingungen definiert worden sind. Das denis passed through an.Absorber 6k , in which the working fluid is supplied with energy to compensate for the energy consumption due to the conversion of energy into mechanical shaft drive energy in the turbine 52 and due to friction losses and other thermodynamic losses at other points in the system due to energy losses. The absorber 6k should have such a large length or such a large cross-sectional area that it enables the absorption of a predetermined amount of energy. For this purpose, the absorber 6k contains a control device (not shown) for precise control of the amount of energy absorbed. When passing through the absorber 6k , the working medium absorbs so much heat energy that it has the desired energy content. The temperature of the working medium emerging from the pump 62 should be considerably lower than the temperature of the heat source so that the working medium can be brought to the desired energy content by absorbing thermal energy from the heat source. The thermal energy supplied to the working medium must be sufficient to replace the energy consumption which is due to the conversion of energy in the turbine 52 into mechanical shaft drive energy, which is not fed back into the working medium in the pumps 58, 60 and 62, and to energy losses caused by Frictional losses and other thermodynamic losses are caused at other points in the system. Regardless of the type of heat source used, this heat energy must be transferred to the system. Therefore, the choice of a suitable working medium and the pressure and temperature values for a particular system can only be made after the heat source has been selected and the thermal conditions have been defined. That the
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Das den Absorber 64 verlassende Arbeitsmittel ist im wesentlichen gesättigt und enthält so viel Energie, daß der Kreisprozeß an der Eintrittsdüse 50 erneut beginnen kann. Zur Regelung der resultierenden Ausgangsleistung kann man dem Arbeitsmittel gegebenenfalls etwas Wärmeenergie zusetzen, ehe ihm statische Energie zugeführt wird.The working fluid leaving the absorber 64 is in substantially saturated and contains so much energy that the cycle at the inlet nozzle 50 begins again can. To regulate the resulting output power, you can add some thermal energy to the working fluid before static energy is supplied to it.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben und werden die Betriebsbedingungen für ein System angegeben, bei den die Umgebungswärme bei Temperaturen im Bereich von 29 - 38 °C als Wärmequelle und das im Handel von der Firma E.I. du Pont de Nemours & Company, Inc. erhältliche Preon 22 als Arbeitsmittel verwendet wird.An embodiment will be described below and the operating conditions for a System specified in which the ambient heat at temperatures in the range of 29 - 38 ° C as a heat source and that commercially available from E.I. du Pont de Nemours & Company, Inc. available Preon 22 as a working tool is used.
In dem in Fig. 1 dargestellten System wurde als Arbeitsmittel Freon (Difluormonochlormethan) verwendet. Nachstehend sind die Werte für den Energiegehalt des Arbeitsmittels an den angebeDenen Stellen des Systems sowie die dem System zugeführten Energiemengen (+) und die in dem System auftretenden Energieverluste (-) in Joule pro leg des Arbeitsmittels angegeben»In the system shown in FIG. 1, Freon (difluoromonochloromethane) was used as the working medium. Below are the values for the energy content of the work equipment at the points indicated on the System as well as the amounts of energy supplied to the system (+) and the energy losses occurring in the system (-) specified in joules per leg of the work equipment »
Am Eintritt des EXJRAt the entrance of the EXJR
Es sei angenommen, daß das Arbeitsmittel eine Flüssigkeit mit nicht sehr hoher Viskosität ist, daß die gesamte in dem Arbeitsmittel enthaltene Energie potentielle Energie, d. h. statische und Wärmeenergie, ist (nachstehend mit PE bezeichnet) und das Arbeitsmittel keine kinetische Energie (nachstehend mit IiE bezeichnet)It is assumed that the working medium is a liquid with not very high viscosity, that the entire energy contained in the working fluid is potential energy, d. H. static and thermal energy, is (hereinafter referred to as PE) and the work equipment has no kinetic energy (hereinafter referred to as IiE)
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enthält» Dann istcontains »Then is
PE = 16IOO J/kg
KE = OPE = 16IOO J / kg
KE = O
Am Austritt des EURAt the exit of the EUR
PS = 11300 j/kg
KE = ij-800 J/kgPS = 11300 j / kg
KE = ij-800 J / kg
Am Austritt der TurbineAt the turbine exit
PE = I3OOO j/kgPE = 30000 j / kg
Bei einem Turbinenwirkungsgrad von 67 fo beträgt die von dem Arbeitsmittel in der Turbine geleistete Arbeit 3200 J/kg. Im Absorber With a turbine efficiency of 67 fo , the work done by the working fluid in the turbine is 3200 J / kg. In the absorber
Von der Wärmequelle abgegebene Wärmeenergie : + 2000 J/kgThermal energy given off by the heat source: + 2000 J / kg
Wie vorstehend angogeben wurde, kann manAs indicated above, one can
die Temperatur des von der Turbine abströmenden Arbeitsmittels bestimmen, wenn die Temperatur der Wärmequelle bekannt und die gewünschte mechanische Ausgangsleistung der Turbine bestimmt worden ist. Auf Grund der Temperatur des von der Turbine abströmenden Arbeitsmittels kann man ein geeignetes Arbeitsmittel wählen und die Mindestwerte für den Betriebsdruck und die Betriebstemperatur bestimmen. Dabei kann das System zwar bei Temperaturen bzw. Drücken in einem beträchtlichen Bereich betrieben werden, doch haben die Betriebstemperaturen und Betriebsdrücke einen beträchtlichen Einfluß auf die Abmessungen und Kosten der Bestandteile des Systems. Je nach dem Verwendungszweck des Systems, z. B. zum Antrieb von Fahrzeugen, wobei es möglichst kleine Baumaße haben soll, oder als stationäre Kraftmaschine, beispielsweise im Privathaushalt,determine the temperature of the working fluid flowing out of the turbine if the temperature of the heat source known and the desired mechanical output power of the turbine has been determined. Because of the temperature of the working medium flowing out of the turbine, a suitable working medium and the minimum values can be selected for the operating pressure and temperature. The system can operate at temperatures or pressures can be operated over a considerable range, but the operating temperatures and pressures have one significant impact on the dimensions and cost of the components of the system. Depending on the intended use of the system, e.g. B. to drive vehicles, where it should have the smallest possible dimensions, or as stationary power machine, for example in private households,
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wobei die Baumaße nicht sehr kritisch sind, wird man die Auslegung des Systems wählen, wodurch dann auch die Bereiche der zulässigen Betriebstemperaturen und Betriebsdrücke festgelegt werden. where the dimensions are not very critical, one will choose the design of the system, which then also the Ranges of permissible operating temperatures and operating pressures can be specified.
Ein großer Teil der üblichen Energiequellen wird zur Raumheizung und -kühlung verbraucht. Für diese Zwecke kann der Erfindungsgegenstand mit besonderem Vorteil angewendet werden. Bei den üblichen Verfahren zur Raumheizung und -Kühlung erzielt man den höchsten Wirkungsgrad, wenn man zum Kühlen eine übliche Klimaanlage mit Verdichter und zum Heizen das Gegenstück dazu, die Wärmepumpe, verwendet. Es ist durchaus nicht unüb.lich, daß die von einem derartigen System gelieferte Wärmeenergie mehr als das 2,5-fache der verbrauchten Wellenantriebsenergie beträgt. Dieser Prozoß ist im wesentlichen eine Umlzeiirunft· des üblichen Prozesses 3ur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, weil mechanische Energie sugofülirt und Wärme abgegeben wird. Dor Prozeß ähnelt jedocli do;r. üblichen Prozeß zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanisc/io Energie insofern, als das Arbeitsmittel einen Sustand mit Iiohor Temperatur und großem Wärmeenorgiogehalt (T ) Lind einen Ztistand mit niedriger Temperatur und kleinem "wärme energiegohalt (T0) annimmt. Zum Unterschied von den gewöhnlichen Prozeß zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie wird jedoch über die Welle keine Nutzleistung abgegeben, während das Arbeitsmittel zwischen T1 und T3 expandierte Erfindungsgemäß kann man den Wirkungsgrad des üblichen Kältemaschinen- und Wärmepumpenprozesses verbessern und den Energiebedarf des Prozesses herabsetzen. Dabei wird der Verbrauch an dem als Energieträger verwendeten Material beträchtlich vermindert, so daß auch die dem Benutzer entstehendenA large part of the usual energy sources is used for space heating and cooling. The subject matter of the invention can be used with particular advantage for these purposes. With the usual methods of space heating and cooling, the highest level of efficiency is achieved if a conventional air conditioning system with a compressor is used for cooling and the counterpart to this, the heat pump, is used for heating. It is by no means uncommon for the thermal energy delivered by such a system to be more than 2.5 times the shaft drive energy consumed. This process is essentially a circuit of the usual process for converting thermal energy into mechanical energy, because mechanical energy is suggested and heat is given off. Dor process is similar to jedocli do; r. The usual process for converting thermal energy into mechanical energy insofar as the working medium assumes a state with a low temperature and a high thermal energy content (T) and a state with a low temperature and a low thermal energy content (T 0 ). In contrast to the usual process to convert thermal energy into mechanical energy, however, no useful power is emitted via the shaft, while the working fluid expanded between T 1 and T 3 the material used as an energy carrier is considerably reduced, so that the user also incurs
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Gesamtkosten für die !Raumheizung und -kühlung vermindert werden,Total costs for space heating and cooling reduced will,
Um die Bedeutung der Erfindung für kombinierte Kältemaschinen und Wärmepumpen verständlich zu machen, soll nachstehend kurz eine übliche Kaltdampf-Kältemaschine beschrieben werden. (Dagegen wird ihr zum Heizen dienendes Gegenstück, die Wärmepumpe, nicht beschrieben), Die Hauptteile einer derartigen Kältemaschine 300 sind in der Fig. k dargestellt. Zu ihnen gehören ein Verdichter 302, ein Kondensator 30^» ein Verdampfer 306 und ein Expansionsventil 308. Der Verdichter 302 saugt einen üblichen Kältemitteldampf an, der unter relativ niedrigem Druck steht. Infolgedessen werden der Druck und die Temperatur des Dampfes auf solche Werte erhöht, daß er in dorn Kondensator 304 Wärme an ein Kühlmittel abgeben kann. Im allgemeinen wird zu diesem Zweck dor Dampf in den Kompressor 302 überhitzt. Jn dom Kondensator 304 wird der überhitzte Dampf mit viasser oder Luft als Kühlmittel so abgekühlt, daß er in den Zustand einer gesättigten oder unterkühlten Flüssigkeit gelangt. Diese wird dom iqiansionsvontil 3O8 zugeführt und in diesem bei im wesentlichen konstanter Enthalpie auf den Verdampferdruck gedrosselt, wodurch die Süttigungstemperatur der Flüssigkeit herabgesetzt wird. Gleichzeitig findet eine unvermeidbare Schnellverdampfung eines Teils der flüssigkeit statt, so daß der aus dem Ventil austretende Strom nicht vollständig aus Flüssigkeit besteht. Diese Schnellverdampfung ist eine unerwünschte Begleiterscheinung der Expansion, weil der durch die Schnellverdampfung gebildete Dampf bereits ¥ärmo absorbiert hat und als Kältemittel in dem Verdampfer praktisch nutzlos ist. Man kann das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch direkt dem Ver-In order to make the significance of the invention for combined refrigeration machines and heat pumps understandable, a conventional cold steam refrigeration machine will be briefly described below. (In contrast, it is serving for heating counterpart, the heat pump will not be described), the main components of such a chiller 300 are shown in Fig. K. They include a compressor 302, a condenser 306, an evaporator 306 and an expansion valve 308. The compressor 302 draws in a conventional refrigerant vapor which is under relatively low pressure. As a result, the pressure and temperature of the steam are increased to such values that it can give off heat to a coolant in the condenser 304. Generally, the steam in compressor 302 is superheated for this purpose. In the condenser 304, the superheated vapor is cooled with water or air as a coolant so that it becomes a saturated or supercooled liquid. This is supplied dom iqiansionsvontil 3O8 and throttled in this with essentially constant enthalpy to the evaporator pressure, whereby the saturation temperature of the liquid is reduced. At the same time, an unavoidable rapid evaporation of part of the liquid takes place, so that the flow emerging from the valve does not consist entirely of liquid. This rapid evaporation is an undesirable side effect of the expansion, because the vapor formed by the rapid evaporation has already absorbed ¥ ¥ ärmo and is practically useless as a refrigerant in the evaporator. The liquid-vapor mixture can be added directly to the
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dämpfer 3O6 zuführen oder in manchen Fällen auch den Dampf abblasen, um die Strömungsbelastung des Verdampfers zu vermindern. In beiden Fällen wird dem Verdampfer (oder einem zu kühlenden Raum) ein Kältemittel unter relativ niedrigem Druck zugeführt. In dem Verdampfer 306 absorbiert die Flüssigkeit Wärme aus dem zu kühlenden Raum und verdampft die Flüssigkeit, wobei Sattdampf oder überhitzter Dampf gebildet wird, der dann in dem nächsten Kreisprozeß dem Verdichter 302 zugeführt wird.Feed in damper 3O6 or in some cases also the Blow off steam to reduce the flow load on the evaporator. In both cases the evaporator will (or a room to be cooled) is supplied with a refrigerant under relatively low pressure. In the vaporizer 306, the liquid absorbs heat from the liquid to be cooled Space and evaporates the liquid, whereby saturated steam or superheated steam is formed, which is then in the next Cycle process is supplied to the compressor 302.
In Fig. 5 sind die thermodynamisehenIn Fig. 5 are the thermodynamic
Bedingungen für einen als ideal angenommenen, grundlegenden Kaltdampf-Kälteerzeugungsprozeß in einem Temperatur-Entropie -Diagramm dargestellt. Natürlich kann man den in Fig· 5 dargestellten, idealen Kälteerzeugungsprozeß in dor Präzis nicht erzielen, doch ermöglicht die Annahme eines . idealen Prozesses die Festlegung von optimalen Betriebsgrößen für den Vergleich mit praktisch ausgeführten Systemen, In dem idealen Prozeß finden vier thermodynamische Vorgänge statt, die den an Hand der Fig. h erläuterten Vorgängen entsprechen. So wird bei a vorhandenes, flüssiges Kältemittel entlang der Strecke ab einer Expansion und damit einer isentropen Veränderung unterworfen und dadurch in ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch umgewandelt. Längs der Strecke bc wird dem Kältemittel isotherm Wärme zugeführt, so daß eine gewünschte Kühlung bewirkt wird. Der Punkt c gilt für den Fall einer trockenen Verdichtung, d. h. einer Verdichtung, bei welcher der Verdichter trockenen oder etwasüberhitzten Dampf ansaugt. Längs der Strecke cd wird der Dampf isentrop auf einen Druck verdichtet, der so hoch ist, daß er in dem Kondensator längs der Strecke dea Wärme abgeben kann. Zunächst wird längs der Strecke de Überhitzungswärme und dann längsConditions for a basic cold steam refrigeration process, assumed to be ideal, shown in a temperature-entropy diagram. Of course, the ideal refrigeration process shown in Fig. 5 cannot be achieved in such precision, but one allows one to be assumed. ideal process, the determination of the optimum operating variables for comparison with practically executed systems In the ideal process will take place four thermodynamic processes which correspond to the operations explained with reference to Fig h.. For example, at a, the liquid refrigerant present along the route is subjected to expansion and thus an isentropic change and is thus converted into a liquid-vapor mixture. Isothermal heat is supplied to the refrigerant along the path bc, so that a desired cooling is effected. Point c applies to the case of dry compression, ie compression in which the compressor sucks in dry or somewhat superheated steam. Along the path cd, the vapor is isentropically compressed to a pressure which is so high that it can give off heat in the condenser along the path dea. First of all, along the route, the overheating heat is applied and then along the length
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der Strecke ea Verdampfungswärme. zugeführt. Es ist angenommen, daß in diesem idealisierten Prozeß die Wärmeaufnahme in dem Verdampfer bc und die Wärmeabgabe in dem Kondensator dea unter konstantem Druck erfolgen.the distance ea heat of vaporization. fed. It is believed that in this idealized process the heat absorption in the evaporator bc and the heat dissipation in the Condenser dea take place under constant pressure.
Die dem System im Zustand T1 zugeführte The one supplied to the system in state T 1
Wärmemenge Q1 stellt ein Haß für die Kälteleistungsziffer des Kälteerzeugungsprozesses dar und ist in Fig. 5 durch die Fläche bczy dargestellt. Die im Zustand T„ abgegebene Wärmemenge Q„ ist durch die Fläche deayz dargestellt. Man kann daher die unter Verwendung einer externen Energiequelle erforderliche Fremdarbeit AJ, die durch die Fläche deabc dargestellt ist, durch folgende Gleichung ausdrücken:Heat quantity Q 1 represents a hatred for the refrigeration capacity figure of the refrigeration process and is represented in FIG. 5 by the area bczy. The amount of heat Q “given off in the state T“ is represented by the area deayz. The external work AJ required using an external energy source, which is represented by the area deabc, can therefore be expressed by the following equation:
A5, - - (Q1 - Q2)A 5 , - - (Q 1 - Q 2 )
In einer üblichen Kalternaschine wird diese Arbeit vollständig von den Verdichter auf Grund der ihm zugeführten LSnorgie geleistet.This work becomes complete in a standard Kaltern machine performed by the compressor on the basis of the LSnorgie supplied to it.
Als Kälteleistungsziffer ICLZ einer Kältemaschine bezeichnet nan das Verhältnis dor erzeugten Kalt einenge zu der zu ihrer Erzeugung erforderlichen Arbeit:As the refrigeration capacity figure ICLZ of a refrigeration machine, nan denotes the ratio that it generates Cold constricts to what is necessary to produce it Job:
Für einen idealisierten Kälteerzeugungs prozeß kann man schreiben:For an idealized refrigeration process one can write:
KLZ =KLZ =
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In der Praxis kann man natürlich keinenIn practice, of course, you can't
idealen Kälteprozeß erzielen und leistet das Expansionsoder Drosselventil weder Nutzarbeit noch kann es seine Funktion ausüben, ohne daß über die Wände des Rohrs oder des Ventils Wärme aufgenommen oder abgegeben wird. Die Die Funktion eines praktisch ausgeführten Drosselventils ist daher in Fig. 5 besser durch die gestrichelte Linie af dargestellt. Da die von dem System erzeugte Kältemenge für den Fall eines idealen Prozesses durch die Fläche bczy und im Falle der Drosselung durch die Fläche fczx dargestellt ist, stellt die Fläche bfxy den Verlust an Nutzkälte gegenüber dem idealen Prozeß dar.achieve an ideal refrigeration process and the expansion or throttle valve does neither useful work nor can it Perform function without absorbing or dissipating heat through the walls of the tube or valve. the The function of a practically designed throttle valve is therefore better shown in FIG. 5 by the dashed line af shown. As the amount of cold generated by the system in the case of an ideal process through the area bczy and, in the case of throttling, the area fczx is, the area bfxy represents the loss of useful cooling compared to the ideal process.
Ein idealisierter Drosselvorgang, der beiAn idealized throttling process that occurs when
konstanter Enthalpie, d. h. adiabatisch ohne Arbeitsleistung durchgeführt wird, hat bekanntlich den Nachteil, daß er nicht die Möglichkeit ausnutzt, aus dem expandierenden Kältemittel mindestens einen Teil der Verdichtungsarbeit wieder zurückzugewinnen. Wenn man beispielsweise anstelle eines Drosselventils eine Sxpansions-Kraftmaschine verwenden würde, wie dies vorgeschlagen worden ist (siehe Kac-intire und Mitarbeiter: !Refrigeration Engineering, 2. Auflage) und annolunen würde, daß der Druck in der Expansions-Kraf tmasciiine isentrop abfällt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, könnte man theoretisch einen beträchtlichen Teil der von den expandierenden Kältemittel geleisteten Arbeit zum Antrieb des Verdichters verwenden. Für diese !Rückgewinnung von Arbeit muß natürlich der Aufwand für die Expansions-Kraftmaschine in Kauf genommen werden. Vom Gesichtspunkt der Energieeinsparung ist jedoch der Ersatz eines Drosselventils durch eine Expansions-Kraftmaschine eine brauchbare Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Prozesses bzwo zurconstant enthalpy, ie is carried out adiabatically without work, has the known disadvantage that it does not take advantage of the possibility of recovering at least part of the compression work from the expanding refrigerant. If, for example, one were to use an expansion engine instead of a throttle valve, as has been proposed (see Kac-intire and co-workers:! Refrigeration Engineering, 2nd edition) and it would be said that the pressure in the expansion engine drops isentropically, as shown in Fig. 5, one could theoretically use a significant portion of the work done by the expanding refrigerants to drive the compressor. For this recovery of work, of course, the expense of the expansion engine must be accepted. From the point of view of energy saving, however, the replacement of a throttle valve by an expansion engine is a useful measure to improve the efficiency of the process or o to
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Erhöhung der Kälteleistungsziffer KLZ. Dies ist offenbar schon seit vielen Jahren erkannt worden, doch ist bisher anscheinend noch keine mit hohem ¥irkungsgrad und hoher Ifirtschaftlichkeit arbeitende Kältemaschine auf Grund dieser theoretischen Möglichkeit entwickelt worden.Increase in the cooling capacity factor KLZ. This has apparently been recognized for many years, but so far it is apparently no refrigeration machine that works with high efficiency and high cost-effectiveness yet this theoretical possibility has been developed.
Man hat natürlich schon versucht, mit einer Expansions-Kraftmaschine bzw. -Turbine zu arbeiten (US-PS 1 575 819 - Carrier; und US-PS 2 519 010 - Zearfoss.) Die in diesen Patentschriften beschriebenen Systeme sind jedoch ebenso wie alle anderen bisher vorgeschlagenen Systeme nicht frei von den Nachteilen der Drosselung, sondern nutzen nur die Tatsache aus, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels durch die Drosselung erhöht wird. Zu diesem Zweck wird in dem Strömungsweg· des Arbeitsmittels eine Turbine eingeschaltet, in der ein. Teil der leine ti seilen Sxiorgio dos Arbeitsmittels in mechanische Energie umgewandelt wird, die mindestens theoretisch für den .iotriob des Systems verwendet werden lcanno Dabei ist aber die zur Arbeitsleistung befähigte Nutzeiiergio, die in dem aus einer Drosseleinrichtung austretenden und einer Turbine zügeführten Arbeitsmittel enthalten ist und in der Turbine zur Arbeitsleistung herangezogen wird, nur sohr gering, so daß die auf diese iieise geleistete Arbeit höchstens 3o ->dor Arbeit beträgt, die theoretisch zurückgewonnen werden kann. Die tatsächlich zurückgewonnene Arbeit ist bestimmt nicht so groß, daß der durch die Turbine zusätzlich bedingte Aufwand während einer angemessenen Gebrauchsdauer des Geräts durch dio eingesparte Energie amortisiert T/erden könnte.An expansion engine or turbine has, of course, been attempted (U.S. Patent 1,575,819 - Carrier; and U.S. Patent 2,519,010 - Zearfoss). However, the systems described in these patents are like all others Systems proposed up to now are not free from the disadvantages of throttling, but only take advantage of the fact that the flow rate of the working medium is increased by the throttling. For this purpose, a turbine is switched on in the flow path of the working medium, in which a. Leash ti ropes Sxiorgio dos working fluid is converted into mechanical energy part which are at least theoretically be used for the .iotriob the system lcann o In this case, however, which enabled to perform work Nutzeiiergio that exiting in the from of a throttle device and includes a turbine trains leading working media is and is used for work in the turbine, only so little, so that the work done in this way is at most 30 -> the work that can theoretically be recovered. The work actually recovered is certainly not so great that the additional effort caused by the turbine could be amortized during a reasonable service life of the device through the energy saved.
In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäß modifizierte Kaltdampf-Kältemaschine üblicher Art dargestellt. DasIn Fig. 6 a modified cold steam refrigeration machine of the usual type according to the invention is shown. That
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Drosselventil ist durch eine beschleunigend wirkende Düse 320 und eine Turbine 322 ersetzt worden. Die Düse 320 vergrößert die kinetische Energie oder Geschwindigkeit des Kältemittels und bewirkt, daß mit diesem Kältemittel eine entsprechend ausgebildete Turbine 322 beaufschlagt wird, in der das Kältemittel ebenso wie in dem Drosselventil unter Abkühlung expandiert. Von den bekannten Systemen unterscheidet sich das vorliegende dadurch, daß absichtlich nicht gedrosselt und daß anstelle einer adiabatischen Expansion bei konstanter Enthalpie eine Expansion herbeigeführt wird, die im wesentlichen oder wenigstens annähernd isöntrop ist. Zur Expansion eines Fluids in einer Düse wird der Strömungsquerschnitt in längs der Düse stetig verändert, so daß auch der Druck und die Geschwindigkeit des Fluids verändert x-zerdon. Bein Durcl?.tritt durch die Düse hat das Fluid daher am Düsenaustritt die höchste Geschwindigkeit und die kleinste !Siitnalpie. ¥eixn die Schallgeschwindigkeit auch örtlich nicht erreicht wird, kann eine Drosselung vermieden werden. Dagegen tritt am Austritt von Kapillarroiiren gewöhnlich eine Drosselung auf. Es hat sich gezeigt, daß bei gleichen Durchflußmengen und gleichen Eintrittsbedingungen der Zweiphasenstrom vor dem Austritt aus der Düse eine niedrigere Temperatur und eine höhere Geschwindigkeit hat als beim Austritt aus einem Kapillarrohr. ¥enn man den Strom zur Arbeitsleistung heranzieht, beispielsweise in einer Turbine, kann man die Kälteleistungsziffer daher durch die Verwendung einer Düse stärker erhöhen als durch die Verwendung eines Kapillarrohrs. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann man einen viel größeren Anteil der Expansionsarbeit vorteilhafterweise dazu verwenden, die für den Betrieb des Verdichters und von Gebläsen undThrottle valve is through an accelerating acting nozzle 320 and a turbine 322 have been replaced. The nozzle 320 increases the kinetic energy or speed of the refrigerant and causes this refrigerant to act on a correspondingly designed turbine 322 in which the refrigerant expands with cooling as well as in the throttle valve. From the known Systems, the present differs in that it is deliberately not throttled and that instead of a adiabatic expansion at constant enthalpy an expansion is brought about, which essentially or is at least approximately iso-tropic. To expand a fluid in a nozzle, the flow cross-section in constantly changed along the nozzle, so that the pressure and the speed of the fluid also changed x-zerdon. When it passes through the nozzle, the fluid is therefore on Nozzle outlet the highest speed and the lowest! ¥ eixn the speed of sound also locally is not achieved, throttling can be avoided. On the other hand, it usually occurs at the exit of capillary rings a throttling. It has been shown that with the same flow rates and the same inlet conditions Two-phase flow before exiting the nozzle a lower temperature and a higher speed than when exiting a capillary tube. If you use electricity for work, for example in a turbine, you can therefore increase the cooling capacity coefficient more by using a nozzle than by using a nozzle the use of a capillary tube. In the present embodiment one can get a much larger share use the expansion work advantageously to those for the operation of the compressor and fans and
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BAD ORSQiNALBAD ORSQiNAL
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Pumpen erforderliche Fremdarbeit herabzusetzen. Da in dem vorliegenden System so viel mehr Nutzarbeit zurückgewonnen werden kann als in den bekannten Systemen, wird angenommen, daß das vorliegende System insofern wirtschaftlich ist, als der Kapitalaufwand innerhalb relativ kurzer Zeit durch die Energieeinsparung· amortisiert wird.Pumps to reduce the external work required. Because so much more useful work is recovered in the present system As in the known systems, it is believed that the present system is economical in this respect is when the capital expenditure is amortized within a relatively short time by the energy saving.
Könnte man die Expansions-Kraftmaschine bzw. -Turbine tatsächlich isentrop betreiben, dann würde die gestrichelte Linie ab in Fig. 7 die Expansionsstrecke des Kältemittels zwischen Kondensator und Verdampfer darstellen. In der Praxis kann jedoch infolge, der Turbinenverluste und anderer Einflüsse ein isentroper Betrieb nicht erzielt werden, so daß die Expansion in einer Turbine mit einem Wirkungsgrad unter 100 Ji realistischer durch die Linie ag dargestellt wird« Die in diesem Prozeß erzeugte Kältenenge wird durcli die Fläche gczw dargestellt« Da bei Verwendung einer Düse und einer Turbine eine größere Kälteraenge Q1 erzeugt wird als bei der Verwendung eines Drosselventils (Fläche fczx) und da weniger Fremdarbeit A^ erforderlich ist, wird eine höhere KälteleistungszifferIf the expansion engine or turbine could actually be operated isentropically, then the dashed line ab in FIG. 7 would represent the expansion path of the refrigerant between the condenser and the evaporator. In practice, however, due to the turbine losses and other influences, isentropic operation cannot be achieved, so that the expansion in a turbine with an efficiency below 100 Ji is more realistically represented by the line ag Gczw shown «Since when using a nozzle and a turbine, a greater amount of cold Q 1 is generated than when using a throttle valve (area fczx) and since less external work A ^ is required, a higher refrigeration capacity figure is required
KLZ = ~KLZ = ~
erhalten. In der Fig. h ist durch die Fläche gfzw die durch die Verwendung einer Düse und einer Turbine anstelle eines Drosselventils bedingte Vermehrung der erzeugten Kältemenge dargestellt.obtain. In FIG. H , the area gfzw shows the increase in the amount of cold produced due to the use of a nozzle and a turbine instead of a throttle valve.
In einem praktischen AusführungsbeispielIn a practical embodiment
wurde in einer mechanischen Kaltdampf-Kältemaschine als Kältemittel ein handelsüblicher Fluorkohlenstoff verwendet,was used in a mechanical cold steam chiller as A commercially available fluorocarbon is used as the refrigerant,
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der in flüssiger Form bei 4°C in den Verdampfer eintrat und in flüssiger Form in dem Kondensator bei einer Temperatur von 71°C vorlag« Bei einem Gesamtwirkungsgrad der Turbine und des Verdichters von jeweils 80 c/o kann man für den Fall der Verwendung eines Drosselventils die Kälteleistungsziffer mit IiLZ = 2,26 berechneno Wenn man dagegen gemäß der Erfindung das Drosselventil durch, eine Düse und eine Turbine ersetzt, kann man eine Kälteleistungsziffor KLZ von 3,o4 berechnen, was eine Verbesserung von etwa 3h yo bedeutetewhich occurred in liquid form at 4 ° C in the evaporator and "present in liquid form in the condenser at a temperature of 71 ° C at a total efficiency of the turbine and the compressor of 80 c / o there is the case of using a Throttle valve calculate the refrigeration capacity figure with IiLZ = 2.26 o If, on the other hand, according to the invention, the throttle valve is replaced by a nozzle and a turbine, a refrigeration capacity figure KLZ of 3, o4 can be calculated, which means an improvement of about 3h yo
3s wird angenommen, daß bei angenommenen3s it is assumed that with assumed
Gerätewirlcungsgraden von 80 yo ein Verlust von etwa 3h ρ der für den Betrieb der bekannten Kaltdampf«Kältemaschinen theoretisch erforderlichen Fremdarbeit darauf zurückzuführen ist, daß ein Drosselventil nicht imstande ist9 aus einen Fluid Verdichtungsarbeit zurückzugewinnen und der Verwertung suzufüliren, "Wenn man für die Düse und die Turbine einon realistischeren Gcsamtwirkimgsgrad von durchs chili tt lieh etwa h~. \i antiimnt, was don experimentell bereits erhielten iierten entspricht, kann man annehmen, daß etwa 2o \j dor für de-i Betrieb dor iZaltda: !r>f-Kältoniasciu.no trcoretisch crforclorlicj.on -?randarboit aus der.', expandierend on Kältemittel nurücI-.'Tov/onnon word on können, wenn man anstelle oinon Drossolvonxlls οinο Düse und Turbine verwendete Angesichts der vielen I-Iilliardon Hark, die jährlich für Energieträger für Raumheizung und -külilung ausgegeben werden, bedeutet diese Einsparung von 20 ·,& fü'r das Bundesgebiet einen ganz beträchtlichen Betrag0 Auch die auf den einzelnen _Dnorf;iaverbraucher entfallende .üins'Jarunr ist beträciitlicho Der Kapitalaufwand für eine .';o!r.äß der Erfindung mit cinor Düse und Turbine versehene Anlage üblicher Art Mit einer lialtdampf-rltlltcmaschine bzwo Wärmepumpe kannGerätewirlcungsgraden of 80 yo, a loss of about 3 h ρ of the "for the operation of the known cold vapor refrigerating machine theoretically foreign work required is due to the fact that a throttle valve is unable 9 recover work of compression of a fluid and the recovery suzufüliren," If one of the nozzle and the turbine had a more realistic overall efficiency of about h ~. \ i antiimnt, which corresponds to the iiert already obtained experimentally, one can assume that about 2o \ j dor for de-i operation dor iZaltda:! r> f-Kaltoniasciu .no trcoretisch crforclorlicj.on -? randarboit from the. ', expanding on refrigerant nurücI -.' Tov / onnon word on can if one instead oinon Drossolvonxlls οinο nozzle and turbine used Given the many Iilliardon Hark, which annually for energy carriers be spent on space heating and -külilung, this saving is of 20 x, &fü'r the Federal territory a very considerable amount 0 the au The capital outlay for a system of the usual type, provided with a nozzle and turbine according to the invention, with an air-conditioning machine or a heat pump can be used for the individual consumers
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zwar um bis zu 1O,j höher sein als bei den- derzeit üblichen Anlagen, doch wird dieser zusätzliche Aufwand durch die zu erwartende Bnergieeinsparung in weniger als zwei Jahren amortisiert.be up to 10 .j higher than at present usual systems, but this additional effort is reduced by the expected energy savings in less than amortized in two years.
lian erkennt daher, daß ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, wenn man eine drosselungsfreie Düse verwendet oder wenigstens eine Düse, die unter gegebenen Ausgangsbedingungen des Arbeitsmittels trots einer möglichen Drosselung eine Rückgewinnung von rael:.r Arbeit ermöglicht als ein Kapillarrohr oder eine ähnliche Druckmindereinriclitung, Lind wenn man die Düso und das Gesamtsystem so auslegt, daß anstelle eines enthalpiekonstanten Betriebes oin annähernd isentroper Betrieb erhalten wird. Das System arbeitet mit Betriebsgrößen, bei denen der Druck in der IJäiie des Sättircungsvortes bleibt, und der Druck des Arbeitsinit fcols Tjird unter Durclv-ang durcli don Sättigungsdruck des Arbeitsmittels erhöht und vermindert. Das Arbeitsmittel kann weikrend !cursor Zeiträume in plrysikalisehen Zuständen vorliegen, clio ilen ,jeweiligen Sättigungsbedingungen nicke entsprechen, 2. B. kann es vorkommen, daß oirie x-Müssigkoit iiic'.,'.t sofort verdampft, wenn der Druck unter den Sät fcigiinrswcrt sinkt, uioso und andere Einflüsse !■.öimeii zu actastabilor. Jediiir.xmgon und damit zu einen unregGlnaiLiiVGii und uner^riiiiseilten Strönrnngsverhaltoii des Arbeitsmittels !'türen, Dsispiolsueiso kann es vorkommen, daß eine Flüssigkeit nicht stromabwärts, sondern radial expandiert oder eine Fhasenveränderung zu einer Volumenvergrößerung und dadurcli zu einer Verkleinerung des wirksamen Strömungsquerschnitts führt. Jede derartige durch die Ausbildung des EUR bedingte Abweichung von dem erwünschten Betriebsverhalten vermindert die Rückgewinnung von Arbeit aus dem System und damit dessen Brauch-lian therefore recognizes that it has excellent results can be achieved by using a throttling-free nozzle or at least one nozzle that trots a possible under given starting conditions of the working medium Throttling allows a recovery of rael: .r work as a capillary tube or similar pressure reducing device, And if you have the Düso and the whole system like that interprets that instead of an enthalpy-constant operation, an approximately isentropic operation is obtained. The system works with operational quantities in which the pressure remains within the range of the saturation advantage, and the pressure of the Arbeitsinit fcols Tjird under Durclv-ang durcli don saturation pressure of the work equipment increased and decreased. That Work equipment can see cursor periods in plrysikalis States exist, clio ile, respective saturation conditions nicke correspond, 2. B. it can happen that oirie x-Müssigkoit iiic '.,'. t evaporates immediately when the pressure is below the seed fcigiinrswcrt sinks, uioso and other influences ! ■ .öimeii to actastabilor. Jediiir.xmgon and thus to one unregGlnaiLiiVGii and unregulated flow behavior Work equipment! 'Doors, Dsispiolsueiso it can happen that a liquid does not expand downstream, but radially or a phase change to an increase in volume and dadurcli to a reduction in the effective flow cross-section leads. Any such deviation from the desired operating behavior reduces the recovery of work from the system and thus its usage
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barkeit. Dalier sollen insbesondere metastabile
Strömungsbedingungen vermieden werdeno Vorstehend
•wurden dalier Mittel und Maßnahmen zur Aufheben von
metastabilen Strömungsbedingungen in dem EUR beschriebeneavailability. Dalier in particular are said to be metastable
Avoid flow conditions o Above
• were dalier means and measures to lift
metastable flow conditions described in the EUR
Eine weitere Anwendung der vorliegenden
Erfindung betrifft die Verx^endung des EIIR zur Durchflußregelung
in Sicherheitsventilen, von Fluidbehälterno
Diese Anwendung muß nicht unbedingt zu Energieeinsparungen
führen, Eisenbahn-Tankwagen für den Transport von
gefährlichen Substanzen,, wie Propan,, Butadien^ AmIUOnIaIc5
Äthylen^ Vinylchlorid und dergleichen^ sind mit Sicher«=
heitsventilen versehen,, die eine Einrichtung sum Anzeigen
eines Überdruckes in dem Tank und eine Einrichtung besitzen, die auf Grund einer Überdruckanzeige das Ventil
automatisch öffnet, so daß der Tankinhalt in einen
Bereich austreten kann, der unter einem niedrigeren Druck steht, gewöhnlich in die Umgebung« Diese Ventile sollen
offnen, wenn der Druck in dem geschlossenen Tank des Tankwagens einen vorherbestimmten Wort erreicht} der noch
unter dem Berstdruck des Tanks liegte Eine Untersuchung der Ursachen von Tankwagenunfallen hat ergeben, daß die
dex-zeit verwendeten Sicherheitsventile für ihre Aufgabe ungeeignet sind, weil sie dem Auftreten von zwei Phasen
nicht gewachsen sind. Diese zwei Phasen treten auf 9 wenn
nach einem Tankwagenunfall der Tankinhalt heftig kocht«
Diese Unfähigkeit der Sicherheitsventile von Tankwagen
zur wirksamen Abgabe von Zweiphasenströmen mit großen
Durchflußmengen und die Tatsache, daß diese Sicherheitsventile im allgemeinen zu klein bemessen sind, hat zu
schwex-wiegenden Problemen geführt» Erfindungsgemäß besitzt
nun ein Sicherheitsventil für einen Tankwagen ein EUR,
welches den Tankwagen mit dem Umgebungsbereich verbindet9 Another application of the present
Invention relates to the Verx ^ ending the EIIR for flow in safety valves, fluid containers o This application does not necessarily lead to energy savings, railroad tank cars for the transport of
Hazardous substances, such as propane, butadiene ^ AmIUOnIaIc 5 ethylene ^ vinyl chloride and the like ^ are provided with safety valves, which have a device to display an overpressure in the tank and a device that automatically opens the valve on the basis of an overpressure display opens so that the tank contents in a
Area which is under a lower pressure, usually into the environment. These valves are supposed to open when the pressure in the closed tank of the tanker reaches a predetermined level} which still
was below the bursting pressure of the tank An investigation into the causes of tanker accidents has shown that the dex-zeit safety valves used are unsuitable for their task because they are not up to the occurrence of two phases. These two phases occur 9 when the tank contents boil violently after a tanker accident «This inability of the safety valves of tankers
for the effective delivery of two-phase currents with large
Flow rates and the fact that these safety valves are generally dimensioned too small, has to
Difficult problems led »According to the invention, a safety valve for a tanker now has a EUR,
which connects the tanker with the surrounding area 9
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'"''"' 28068492806849
kv-kv-
in den der Tankiniialt bei offenem Siciierheitsventil abgegeben werden soll. Ein derartiges Sicherheitsventil ermöglicht im οίΎοιίΰ,α Zustand oine Abgabe von großen Volumina von Zweiphasenströmen unter vorherbestimmbaren Bedingungen. Ein in der vorstehend beschriebenen ¥eise mit Mitteln zum Unterdrücken von metastabilen Strömungsbedingungen vorgesehenes äUR kann in Sicherheitsventilen mit besonders großem Vorteil verwendet werden. Ein derartiges Sicherheitsventil soll für eine maximale Energieabfuhr und eine Abgabe von Fluid box hoher Strömungsgeschwindigkeit und großer Durciiflußmenge sorgen. Daher ist es bei dieser Anwendung des EUR noch wichtiger als beispielsweise in Kältemaschinen, daß keine unregelmäßigen Strömungsbedingungen auftreten, welche die Erfüllung dieser Forderungen beeinträchtigen können. Insbesondere dürfen metastabile Strömungsbedingungen nicht dazu führen, daß anstelle einer stromabwärts gerichteten eine radiale Expansion stattfindet und daß der wirksame Strömungsquerschnitt verkleinert wird. Bei der Auslegung des EUR ist daher sein Verwendungszweck genau zu beachten.into which the tank line is to be dispensed with the safety valve open. Such a safety valve enables in the οίΎοιίΰ, α state o a delivery of large volumes of two-phase flows under predeterminable conditions. A ¥ UR provided in the manner described above with means for suppressing metastable flow conditions can be used with particularly great advantage in safety valves. Such a safety valve is intended to ensure maximum energy dissipation and a discharge of fluid box of high flow velocity and large flow rate. In this application of the EUR, it is therefore even more important than, for example, in refrigerating machines that there are no irregular flow conditions which could impair the fulfillment of these requirements. In particular, metastable flow conditions must not lead to a radial expansion taking place instead of a downstream one and that the effective flow cross section is reduced. When interpreting the EUR, its intended use must therefore be carefully observed.
Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele derAbove, exemplary embodiments of
Erfindung beschrieben, die jedoch im Rahmen des Erfindungsgedankens vom Fachmann abgeändert werden können. Invention described, which, however, can be modified within the scope of the inventive concept by a person skilled in the art.
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Claims (1)
(b ) daß mindestens ο in Tail der genaniicon . "ner--;io des Ai-boitsmittelstroric in kinetische J.no?:riG umgewandelt und dadurch ein otrorn 3rsou"t wird, der eine holie Gescliwindi.'.'lcoi fc und eine niedrigere Ter.iporatur besitzt und unter oinom --(-:.ο;ί·"Ί.·-^^·-τ) r. .:α'1''.;r-cl:.oii .jn.viok r;i:ohtf woi;ei das Arbeitsmittel unter diesem niedrigeren Druck zum Teil verdainD±"t und dadurcii in dom Strom dos Arbeitsmittels eine liainpi1 niiase f::eoildot wird, (1U0) dal-1, nin Teil des Impulses und der ¥ärmeener"is dor UanroiftKiaso an die flüss:L-;o I'hase ü'.)Grtra"en und daclurc": die iJanrnfniaaso verdichtet wird und Kur-t Teil Izonclonsiort und dabei einen Teil ifirer Kondonsations-T/ärmo a:i die flüssige Pliass abgibt, so daß deren Geschwindigkeit, statischer Druck und Temperatur oriiöi?.t word on,ciior. '.' ic in nieclianiseize energy, dadurcli denotes, (a) that a stream of a working medium is generated, the aic "i in. a: - / · State oinor ir .: essential r-Goättir-toii -? lüssi 'koit is located and "thermal energy lind static.-iiier.'"; ie contains in a predetermined i · ciif-o,
(b) that at least ο in the tail of the genaniicon. "ner -; io des Ai-boitsmittelstroric converted into kinetic J.no?:riG and thereby becomes an otrorn 3rsou" t, which has a holie Gescliwindi. '.' lcoi fc and a lower ter.iporature and under oinom- ( - : .ο; ί · "Ί. · - ^^ · -τ) r..: α'1 ''.; r-cl: .oii .jn.viok r ; i: oht f woi; ei das work equipment under this lower pressure, partly verdainD ± "t and dadurcii in dom current dos working medium a liainpi 1 niiase f: is eoildot, (1 U 0) dal 1, nin part of the pulse and the ¥ ärmeener" is dor UanroiftKiaso to the liquid: L-; o I'hase ü '.) Grtra "en and daclurc": the iJanrnfniaaso is condensed and Kur-t part Izonclonsiort and thereby a part ifirer Kondonsations-T / ärmo a: i gives the liquid Pliass, so that their speed, static pressure and temperature oriiöi? .t word on,
Behälter,(a) means for indicating an overpressure in the
Container,
Behälter zu ermöglichen und(b) a device for automatically opening the safety valve, Lim an outflow of the fluid from the
Allow container and
Behälter und dem Umgebungsbereich bildet und mindestens eine im wesentlichen drossglungsfreie Düsenstrecke(c) a conduit which has a flow channel between the
Container and the surrounding area forms and at least one substantially throttling-free nozzle section
otöron der Strömung angeordnet sind.50. Safety valve according to claim h9, characterized in that for Unterdiüickung metastable flow conditions in the flow channel in this mechanical means for
are arranged otöron the flow.
Das ens ti" ο cken oosibst.^ 1, safety valve according to claim 49, characterized in that the line several spaced apart
That ens ti "o cken oosibst.
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